초기 우주 (빅뱅 직후, 원소 형성, 우주배경복사)빅뱅 직후 우주의 온도는 수조 켈빈을 훌쩍 넘겼습니다. 처음 이 수치를 접했을 때 저는 솔직히 숫자 자체가 머릿속에서 튕겨 나갔습니다. 수조라는 단위가 감이 오질 않아서, 한동안 이 주제를 그냥 흘려보낸 적도 있었습니다. 그런데 하나씩 뜯어보다 보니, 지금 제가 숨 쉬는 공기와 몸속 원자들이 전부 그 극한 상태에서 출발했다는 사실이 어느 순간 묵직하게 다가왔습니다.빅뱅 직후, 원자조차 존재할 수 없었던 세계빅뱅이 일어난 직후, 우주는 플라즈마(plasma) 상태였습니다. 여기서 플라즈마란 온도가 너무 높아 전자와 원자핵이 분리된 채 떠돌아다니는 이온화된 기체 상태를 말합니다. 원자가 안정적으로 뭉칠 수 없을 만큼 에너지가 강했기 때문에, 입자들은 끊임없이..

올베르스의 역설 (우주 팽창, 적색편이, 우주 나이)밤하늘이 어두운 건 당연한 것처럼 느껴지지만, 사실 이건 우주의 나이와 구조를 통째로 꿰뚫는 질문과 연결됩니다. 처음 이 주제를 접했을 때 저도 잠깐 멈칫했습니다. 별이 수천억 개가 넘는 은하가 수천억 개 존재한다면, 왜 밤하늘 전체가 빛으로 가득 차 있지 않을까요.별이 무한히 많다면 밤하늘은 왜 어둡지 않을까19세기 독일 천문학자 하인리히 올베르스는 아주 단순한 논리를 들고 나왔습니다. 우주가 무한하고, 별이 그 안에 고르게 분포해 있다면, 어느 방향으로 시선을 뻗어도 결국 어딘가에 있는 별의 표면에 닿게 됩니다. 그렇다면 밤하늘은 낮처럼 환해야 합니다. 그런데 실제로는 그렇지 않습니다. 이것이 올베르스의 역설입니다.이 모순이 단순한 천문학 퀴즈처럼 ..

우주의 냉각 (팽창, 엔트로피, 열적 죽음)솔직히 저는 오랫동안 "우주는 뜨겁다"는 막연한 인상을 갖고 있었습니다. 별이 핵융합으로 타오르고, 빅뱅이라는 폭발로 시작됐다고 하니 당연히 뜨거운 공간일 거라 생각했습니다. 그런데 실제 우주의 평균 온도는 현재 약 2.7K(-270.45℃)에 불과합니다. 이 수치를 처음 봤을 때 머릿속이 잠깐 멈췄습니다. 별이 저렇게 많은데 왜 우주는 거의 절대영도에 가까운 걸까, 하고요.우주는 팽창하면서 왜 차가워지는가빅뱅 직후 우주의 온도는 약 10의 32 제곱 켈빈(K) 수준으로 추정됩니다. 켈빈(K)이란 절대온도 단위로, 0K는 물질이 더 이상 에너지를 잃을 수 없는 이론적 최저 온도인 절대영도(-273.15℃)를 의미합니다. 그 상태에서 우주는 팽창을 시작했고, 지금..

암흑에너지 (우주 팽창, 암흑물질, 코스모스)우주가 점점 느려지며 수축할 거라고 생각하셨나요? 저도 그렇게 당연히 믿고 있었습니다. 그런데 실제 관측 결과는 완전히 반대였습니다. 우주는 지금 이 순간에도 점점 더 빠르게 팽창하고 있고, 그 원인을 과학자들은 아직 제대로 설명하지 못하고 있습니다. 이 불편한 사실이 저를 암흑에너지라는 주제로 끌어들였습니다.우주 팽창, 왜 느려지지 않는 걸까중력은 물질을 서로 끌어당깁니다. 그렇다면 우주도 시간이 흐를수록 팽창 속도가 줄어드는 것이 자연스럽지 않을까요? 저도 처음에는 그게 당연한 흐름이라고 생각했습니다. 그런데 1990년대 후반, 초신성(supernova) 관측 데이터를 분석하던 두 연구팀이 전혀 다른 결론에 도달했습니다. 여기서 초신성이란 항성이 수명을 다..

우주 인플레이션 이론 (지평선 문제, 급팽창, 우주배경복사)빅뱅 이후 불과 10의 마이너스 36승 초 만에 우주의 크기가 10의 26승 배 이상 폭발적으로 커졌다는 계산이 있습니다. 처음 이 숫자를 봤을 때 저는 솔직히 단위 자체를 이해하는 데 한참 걸렸습니다. 숫자가 너무 커서 현실감이 없었거든요. 그런데 이 황당해 보이는 이론이 현재 우주의 모습을 가장 잘 설명한다는 사실이, 공부할수록 더 신기하게 느껴졌습니다.지평선 문제: "왜 우주는 어디를 봐도 똑같이 생겼을까"우주를 처음 공부하면서 저를 가장 오래 붙잡아 둔 질문이 있었습니다. 밤하늘 동쪽과 서쪽을 각각 관측하면 서로 너무나 비슷한 온도와 구조가 나온다는 것입니다. 그냥 비슷한 게 아니라 10만 분의 1 수준의 오차 안에서 균일합니다. 문제는 ..

우주 균일성 (등방성, 지평선 문제, 인플레이션)밤하늘을 오래 올려다본 적 있으신가요? 저도 어릴 때 별을 보면서 방향이 달라도 왠지 비슷하게 생겼다는 느낌을 받은 적이 있습니다. 막연히 그러려니 했는데, 이게 사실 우주론 역사에서 수십 년간 풀리지 않던 진짜 수수께끼였습니다. 우주가 어느 방향을 봐도 비슷하게 보인다는 현상, 그 뒤에 어떤 이야기가 숨어 있는지 저도 알고 나서 꽤 오래 머릿속에서 맴돌았습니다.등방성, 당연한 것처럼 느껴지지만일반적으로 우주는 그냥 넓고 비슷비슷한 공간이라고 알려져 있지만, 제가 처음 우주론을 공부했을 때 이 '비슷비슷함'이 얼마나 정밀한 수준인지 알고 나서 좀 다른 시선으로 보게 됐습니다.등방성(Isotropy)이란 어느 방향에서 관측해도 동일한 성질이 나타나는 특성을 ..